多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术

采用多抖动相位控制方法实现了两路和三路1 Ｗ量级光纤放大器的相干合成,对实验结果进行了详细分析。实验中,将种子光源输出激光分为两路（或三路）,分别通过光纤放大器进行功率放大,并采用多抖动法实现相干合成。控制系统开环时,远场光斑条纹模糊不清,两路和三路合成时条纹对比度分别为0.19和0.12;系统闭环时,远场光斑条纹清晰可见,对比度提高到0.93和0.81,合成效率分别为80%和77%。此外,对两路和三路的合成效果进行了比较,指出了各路的控制资源对合成效果的影响。     

光纤激光器阵列的多抖动法相干合成

采用自行设计的基于大规模可编程门阵列（FPGA）结构的控制电路,实现了4路光纤激光的多抖动法相干合成。对大气湍流和机械振动引起的相位噪声进行了有效补偿,使远场光斑条纹对比度由开环时的0.21提高到了闭环时的0.93,闭环时远场特定孔径内的能量较开环时提高了3.3倍。该方法还对人为抖动光纤引起的较高频率噪声具有很好的抑制作用,系统闭环后,远场光斑条纹对比度可达到0.72。     

32路光纤激光相干阵列的相位锁定

报道了32路光纤激光相干阵列的相位锁定实验研究。搭建了32路光纤激光相干阵列实验系统,基于现场可编程逻辑阵列（FPGA）设计制作了高速高精度相位控制器。当相位控制器执行随机并行梯度下降（SPGD）算法对各路激光的相位进行锁定时,相干阵列输出的激光功率与不进行相位锁定时相比提高了约26倍。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80 %的概率从19.4 %提升到了51.3 %,取得了较为明显的相干合成效果。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从19.4%提升到了51.3%,取得了较为明显的相干合成效果。     

基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.     

利用全光纤耦合环实现三路光纤激光器的相位锁定

利用三个2×2的光纤耦合器按一定规则联接成一个全光纤耦合环,该耦合环将三个独立的掺铒光纤激光器连成一个锁相阵列. 由于耦合环的引入,锁相阵列的整体损耗减小,且三个单元激光器之间可以进行有效的能量相互注入耦合,进而实现阵列的锁相输出. 实验中观察到的远场干涉图样和锁相前后的输出光谱均表明三路光纤激光器实现了相位锁定,当三路抽运源的功率均为100 mW时,获得了92 mW的稳定相干输出. 关键词： 光纤激光器 相干合成 光纤耦合器 相位锁定     

光纤激光相干合成中两种相位控制方法的比较

主振荡功率放大器(MOPA)相干合成是实现大数量光纤激光器相干合成的一条有效途径,而相位控制是其中的关键。对MOPA方案的两种相位控制方法——外差探测法和多抖动法进行了比较分析。并在此基础上,提出了一种新的相位控制方法。新方法增加了相干合成的光束数目,降低了实验操作难度。通过Matlab软件仿真表明,采用新方法进行64路光束相干合成时,相位均方根误差小于0.08λ,而使用多抖动法进行30路光束相干合成时,相位均方根误差为0.15λ。     

脉冲光纤激光被动相干偏振合成研究

提出了脉冲激光被动相干偏振合成方案．利用光反馈环形腔结构实现多路激光的自组织被动锁相,利用级联偏振合柬的结构实现多路激光偏振合成,实现多路相干光束同轴输出．开展了4路脉冲激光相干偏振合成实验研究,获得了91．9％的合成效率,可获得时域、空域特性均十分稳定的合成脉冲激光．该方案为获得高功率脉冲光纤激光提供了一条可行的技术途径．     

相干合成子光束一致性检测研究

分析了激光相干合成装置及其光路调整要求,提出利用剪切干涉检测合成光路中子光束一致性的方法。分析剪切干涉原理,建立了剪切板干涉物理模型,以相干合成中两路矩形光束拼接组束为例,数值模拟并研究了子光束的整体倾斜、离焦所对应的剪切干涉条纹,得到了条纹图像与子光束光轴误差、离焦误差之间的对应关系,用于相干合成光路中子光束光轴和发散角误差的判断。光轴倾斜大于5 rad时,可以直接观察互干涉和自干涉条纹变化,发散角在大于10 rad时,干涉条纹变化明显。此外,剪切干涉的自干涉条纹平移可用来检测子光束间的活塞误差,可作为光束拼接相干合成中闭环相位检测和控制的手段。     

相干合成子光束一致性检测研究

分析了激光相干合成装置及其光路调整要求,提出利用剪切干涉检测合成光路中子光束一致性的方法。分析剪切干涉原理,建立了剪切板干涉物理模型,以相干合成中两路矩形光束拼接组束为例,数值模拟并研究了子光束的整体倾斜、离焦所对应的剪切干涉条纹,得到了条纹图像与子光束光轴误差、离焦误差之间的对应关系,用于相干合成光路中子光束光轴和发散角误差的判断。光轴倾斜大于5μrad时,可以直接观察互干涉和自干涉条纹变化,发散角在大于10μrad时,干涉条纹变化明显。此外,剪切干涉的自干涉条纹平移可用来检测子光束间的活塞误差,可作为光束拼接相干合成中闭环相位检测和控制的手段。     

Coherent beam combination of 1.08 kW fiber amplifier array using single frequency dithering technique

Coherent beam combination of a 1.08?kW fiber amplifier array has been demonstrated for the first time, to our knowledge. In the experiment, nine fiber amplifiers are tiled into a 3×3 array, and the output power of each amplifier is approximately 120?W. A single frequency dithering algorithm is used to compensate the phase noises between the elements, which runs on a signal processor based on field programmable gate array for phase control on the fiber amplifiers. When the phase control system goes into closed loop, the fringe contrast of the far-field intensity pattern is improved to more than 85%, and the residual phase error is less than λ/15.     

多波长激光主动式相干合成理论初探

本文从相干合成的基本原理出发,建立计算模型,通过对多波长两路相干合成实例的仿真计算,得到了多波长两路相干合成效果的预测公式;在多波长相干合成中光程差至关重要,按照能否进一步通过主动控制,获得好的合成效果,可将光程差划分为可控区和不可控区两类,只有当光程差处于可控区时,才能进一步通过主动控制获得好的合成效果;在光程差任取的情况下,光程差处于可控区,能够通过主动控制获得好的合成效果的概率与光谱结构紧密相关,近似随着波长数目的增多成反比减少. 对于多波长相干合成可采取复合控制的方式,先利用大光程控制器件将光程差 关键词： 光纤激光 多波长相干合成 光程差     

Array size scaling of passive coherent beam combination in fiber laser array

Array size scaling of passive coherent beam combination is explored theoretically. The Strehl ratio variation with wavelength is simulated in 4-, 9-, 16-, and 25-channel fiber arrays. The average Strehl ratio and phase error are calculated. The Strehl ratio is found to be near 100% for arrays with less than 5 fibers, but decreases significantly for larger arrays. These results are in good agreement with the recent experimental results.     

光束相干合成中填充因子对远场光强分布的影响

理论推导了相干光束阵列远场光强分布的解析表达式.介绍了填充因子及五种相干合成效果评价参数的定义.分析了填充因子对远场光强分布的影响,发现填充因子通过影响空间调制因子来改变远场光强分布.求得了相干合成效果评价参数与填充因子的关系式,并绘制了关系曲线.计算结果表明,斯特列尔比与填充因子无关,恒为1;中央主瓣半径与填充因子成正比关系;中央主瓣能量密度受填充因子的影响较小;中央主瓣能量比与填充因子的平方成近似正比关系;桶中功率与填充因子的关系很复杂,但总体上随着填充因子的√减小而减小.分析显示,若要保证中央主瓣能量比和PIB值均大于最佳值的一半,则填充因子应大于2/2.     

基于紧聚焦方式的阵列光束相干合成特性分析

为获得高功率、波长量级尺寸的聚焦光斑,提出利用紧聚焦方式实现阵列光束相干合成的新方案.通过建立阵列光束经紧聚焦方式相干合成的物理模型,分析了阵列光束的排布方式、偏振态、束宽、间距和紧聚焦系统数值孔径等参数对合成光束特性的影响及规律.结果表明,阵列光束经紧聚焦方式合束时,线偏振及圆偏振阵列光束均能获得较好的合成效果,径向偏振阵列光束次之,而角向偏振阵列光束则不能有效地合成.通过优化阵列光束的排布方式、束宽和间距,以及合理选择紧聚焦系统的数值孔径,能在保持较好光束质量和较高合成效率的前提下获得能量集中度高的焦斑.     

Active coherent beam combination of two high-power single-frequency nanosecond fiber amplifiers

We report on active coherent beam combining of two single-frequency nanosecond fiber amplifiers by using stochastic parallel gradient descent algorithm. Each fiber amplifier produces an average power of more than 100 W by using three-stage cascaded amplification. The two laser beams are actively phase-locked with a total average power of 215.8 W, producing ~8 ns pulses at 10 MHz repetition rate. The contrast of the far-field intensity pattern of the coherently combined beam is more than 83%.     

Coherent beam combination of 137 W fiber amplifier array using single frequency dithering technique

We demonstrate coherent beam combination of 137 W fiber amplifier array using single frequency dithering technique. Four polarization-maintained fiber amplifiers are tiled into 2×2 array and the output power of each amplifier is about 35 W. Single frequency dithering algorithm is run on a signal processor based on field programmable gate array (FPGA) for phase control on the fiber amplifiers. When the phase control system goes into closed-loop, the fringe contrast of far-field intensity pattern is improved by more than 87% from 0 in open-loop, and the residual phase error is less than λ/20.